TY  - THES
A1  - Schmid, Benedikt
T1  - Molecular Signaling Mechanisms at the µ-Opioid Receptor
T1  - Molekulare Signalmechanismen am µ-Opioidrezeptor
N2  - To this day, opioids represent the most effective class of drugs for the treatment of severe pain. On a molecular level, all opioids in use today are agonists at the μ-opioid receptor (μ receptor). The μ receptor is a class A G protein-coupled receptor (GPCR). GPCRs are among the biological structures most frequently targeted by pharmaceuticals. They are membrane bound receptors, which confer their signals into the cell primarily by activating a variety of GTPases called G proteins. In the course of the signaling process, the μ receptor will be phosphorylated by GRKs, increasing its affinity for another entity of signaling proteins called β-arrestins (β-arrs). The binding of a β-arr to the activated μ receptor will end the G protein signal and cause the receptor to be internalized into the cell. Past research showed that the μ receptor’s G protein signal puts into effect the desired pain relieving properties of opioid drugs, whereas β-arr recruitment is more often linked to adverse effects like obstipation, tolerance, and respiratory depression. Recent work in academic and industrial research picked up on these findings and looked into the possibility of enhancing G protein signaling while suppressing β-arr recruitment. The conceptual groundwork of such approaches is the phenomenon of biased agonism. It appreciates the fact that different ligands can change the relative contribution of any given pathway to the overall downstream signaling, thus enabling not only receptor-specific but even pathway-specific signaling.
This work examined the ability of a variety of common opioid drugs to specifically activate the different signaling pathways and quantify it by means of resonance energy transfer and protein complementation experiments in living cells. Phosphorylation of the activated receptor is a central step in the canonical GPCR signaling process. Therefore, in a second step, expression levels of the phosphorylating GRKs were enhanced in search for possible effects on receptor signaling and ligand bias.
In short, detailed pharmacological profiles of 17 opioid ligands were recorded. Comparison with known clinical properties of the compounds showed robust correlation of G protein activation efficacy and analgesic potency. Ligand bias (i.e. significant preference of any path- way over another by a given agonist) was found for a number of opioids in native HEK293 cells overexpressing μ receptor and β-arrs. Furthermore, overexpression of GRK2 was shown to fundamentally
change β-arr pharmacodynamics of nearly all opioids. As a consequence, any ligand bias as detected earlier was abolished with GRK2 overexpression, with the exception of buprenorhin. In summary, the following key findings stand out: (1) Common opioid drugs exert biased agonism at the μ receptor to a small extent. (2) Ligand bias is influenced by expression levels of GRK2, which may vary between individuals, target tissues or even over time. (3) One of the opioids, buprenorhin, did not change its signaling properties with the overexpression of GRK2. This might serve as a starting point for the development of new opioids which could lack the ability of β-arr recruitment altogether and thus might help reduce adverse side effects in the treatment of severe pain.
N2  - Nach wie vor stellen Opioide die wirkstärkste Gruppe von Medikamenten zu Behandlung starker Schmerzen dar. Auf molekularer Ebene sind alle heute gebräuchlichen Opioide Agonisten am μ-Opioidrezeptor. Der μ-Opioidrezeptor ist ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor (GPCR) der Klasse A. GPCR zählen zu den häufigsten Zielstrukturen von Pharmaka. Sie sind membranständige Rezeptoren, die ihr Signal in erster Linie durch die Aktivierung von G-Proteine genannten GTPasen in die Zelle weiterleiten. Im Laufe des Signalprozesses wird der GPCR von GRK phosphoryliert, wodurch seine Affinität zu einer weiteren Gruppe von Signalproteinen, den sog. β-Arrestinen erhöht wird. Bindet ein β-Arrestin an den Rezeptor, beendet dies das G-Proteinsignal und veranlasst die Internalisierung des Rezeptors ins Zellinnere. Bisherige Forschung zeigte, dass das G-Proteinsignal des μ-Opioidrezeptors die erwünschte Schmerzlinderung vermittelt, wohingegen die Rekrutierung von β-Arrestin oftmals mit unerwünschten Wirkungen wie Obstipation, Toleranzentwicklung und Atemdepression in Verbindung gebracht wird. Neuere akademische und industrielle Forschung griff diese Erkenntnisse auf und erkundete die Möglichkeit, das G-Proteinsignal zu verstärken und zur gleichen Zeit die β-Arrestinrekrutierung zu inhibieren. Die theoretische Grundlage solcher Ansätze liegt im Konzept des biased agonism. Dieses berücksichtigt die Tatsache, dass verschiedene Liganden den Anteil eines bestimmten Signalweges am gesamten vom Rezeptor ausgehenden Signals beeinflussen kann und damit nicht nur rezeptor-, sondern sogar signalwegspezifische Signale möglich sein sollten.
Die vorliegende Arbeit untersuchte eine Reihe von gängigen Opioiden auf ihre Fähigkeit hin, die einzelnen Signalwege spezifisch zu aktivieren und quantifizierte dies mit Methoden des Resonanzenergietransfers sowie der Proteinkomplementierung in lebenden Zellen. Die Phosphorylierung des Rezeptors ist ein zentrales Ereignis in der anerkannten Abfolge der Signalprozesse an GPCR. Daher wurde in einem weiteren Schritt die Expression der phosphorylierenden GRK erhöht und nach möglichen Auswirkungen auf die Selektivität der Signalwegaktivierung gesucht. Hierbei wurde detaillierte pharmakologische Profile von 17 Opioiden erstellt. Der Abgleich mit bekannten klinischen Wirkeigenschaften der Substanzen zeigte einen robusten Zusammenhang zwischen der Fähigkeit, G-Proteine zu aktivieren und der analgetischen Wirkstärke. Ligand bias, d.h. die signifikante Bevorzugung eines Signalweges gegenüber einem anderen durch einen Liganden, konnte für eine Reihe von Opioiden in lebenden HEK293-Zellen gezeigt werden, die den μ-Opioidrezeptor sowie β-Arrestine überexprimierten. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die zusätzliche Überexpression von GRK2 die pharmakodynamischen Eigenschaften nahezu aller Opioide grundlegend veränderte. In der Folge war jeder zuvor gezeigte ligand bias mit Ausnahme von Buprenorphin aufgehoben.
Zusammenfassend stehen die folgenden drei Erkenntnisse im Vordergrund: (1) Gängige Opioide zeigen in einem gewissen Maß Selektivität zwischen den Signalwegen. (2) Ligand bias wird beeinflusst von GRK2-Expressionsleveln, welche zwischen Individuen, verschiedenen Gewebetypen oder auch im zeitlichen Verlauf variieren können. (3) Als einziges der untersuchten Opioide änderte Buprenorphin seine Signaleigenschaften durch die Überexpression von GRK2 nicht. Dies könnte als Anknüpfungspunkt in der Entwicklung neuer Opioide dienen, die keinerlei β-Arrestinrekrutierung bewirken und dadurch helfen könnten, unerwünschte Wirkungen in der Behandlung starker Schmerzen zu verhindern.
KW  - Opiatrezeptor
KW  - Opioide
KW  - G-Protein gekoppelte Rezeptoren
KW  - Pharmakodynamik
KW  - Arrestine
KW  - Rezeptorpharmakologie
KW  - biased agonism
KW  - signalling
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-176850
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mambretti, Egle Maria
T1  - Opioid receptors as therapeutic targets for nociceptor specific regional analgesia
T1  - Opioidrezeptoren als therapeutisches Target einer nozizeptionsspezifischen Regionalanalgesie
N2  - Opioids have been, since centuries, the gold standard for pain treatment and relief. They exert their effects after binding to opioid receptors (OP) that are expressed and functional in the central (CNS) and peripheral nervous system (PNS). As their systemic application has many side effects, including sedation and respiratory depression, a peripheral application of opioids and selective targeting of µ-OP (MOP) in nociceptive axons would be extremely beneficial. MOP presence and function has been conclusively demonstrated at nerve terminals; however it is still controversial whether functional MOPs are available on the membrane of peripheral nociceptive axons to mediate opioid-induced antinociception. While under pathologic conditions (i.e. nerve injury) exogenous as well as endogenous MOP agonists applied at the damaged nerve can elicit potent antinociception or anti-allodynia, under physiological conditions no antinociception was seen in rats. This could be caused by either a lack of functional opioid receptors in the axonal membranes or by the inability of injected opioids to cross the intact perineurial barrier and to reach nociceptors. Previous behavioral test results showed an antinociceptive effect (up to 5h) following perisciatic application of the hydrophilic DAMGO (MOP agonist) if coinjected with hypertonic saline solution (HTS; 10% NaCl), a treatment suited to open the perineural barrier. The effect was inhibited by naloxone, a MOP antagonist, documenting its specific action via MOP. Fentanyl, a lipophilic opioid, elicited an effect, which was enhanced by HTS treatment, indicating that HTS may act not only on the barrier but also directly on axonal MOP presence and/or functionality. To provide a basis for testing this hypothesis, the present work was designed to study the axonal localization of MOP in experimental animals under different conditions using molecular and morphological methods. 
Initially four different commercial antibodies were tested for MOP detection. Immunoreactions with these antibodies specifically detected MOP in the hippocampus and in amygdala, while in the peripheral nervous system the reactions showed varying labeling patterns pointing towards less specificity with low signal-to-noise ratio. Double labelling with calcitonin gene related peptide (CGRP), a neuropeptide expressed in sensory fibers, with the non-compacted myelin marker S100 or with the neuronal marker PGP9.5 documented significant immunoreaction signals outside sensory nerve fibers. Therefore, none of these antibodies appeared suitable. Taking advantage of a new commercial monoclonal rabbit antibody (RabMAb) and of genetically modified mice in which the fluorescent protein mcherry was inserted in the C-tail of MOP (MOP-mcherry knock-in mice), MOP fusion protein expression in rat and mouse CGRP+ sciatic nerve fibers and fiber bundles was confirmed by immunofluorescence labeling. Immunoelectron microscopic analysis indicated MOP/MOP-mcherry-localization in the cytoplasm and the membranes of unmyelinated axons organized in Remak bundles. Both antibodies detected bands of appropriate size in Western Blot in the CNS and additional larger bands in the PNS. Quantitative analyses 60 min after HTS-treatment revealed no change in MOP mRNA in the sciatic nerve and DRG as well as no change in MOP immunoreactivity in the sciatic nerve. Thus, the opioid-induced long lasting antinociception enhanced by perisciatic injection of HTS were not due to a sustained increased MOP expression or content in sensory, putative nociceptive axons. 
In summary, the current study succeeded to unequivocally document the presence of MOP protein in intact sensory axons of rat and mouse sciatic nerve. Thus, axonal MOPs may indeed mediate antinociceptive opioid effects observed in behavioral studies in naive animals possibly via activation of potassium or calcium channels. As HTS treatment does not lead to a sustained increase in axonal MOP protein or MOP mRNA expression, other mechanisms might enhance MOP function, including inhibition of MOP recycling or changes in functional coupling. Future studies should further explore the axonal mechanisms of antinociception by opioids and enhancing treatments.
N2  - Opioide sind seit Jahrhunderten der Goldstandard für die Schmerzbehandlung. Sie entfalten ihre Wirkung nach der Bindung mit Opioidrezeptoren (OP), die im zentralen (ZNS) und peripheren (PNS) Nervensystem exprimiert und funktionell sind. Da die systemische Anwendung viele Nebenwirkungen hat, wie die Beruhigung und Atemdepression, wäre eine  Anwendung von Opioiden und die gezielte Targeting von µ-OP (MOP) in nozizeptiven Axone in Rahmen einer Regionalanalgesie besser. Die Anwesenheit und die Funktionalität der MOP wurden zwar schon in Nervenendungen gezeigt, aber es ist noch strittig, ob funktionelle MOP in der Membran von peripheren nozizeptiven Axonen sind, um opioid-induzierte Antinozizeption zu vermitteln. Während bei Erkrankungen der Nerven (z.B. traumatische Nervenbeschädigung) exogene und endogene MOP-Agonisten Antinozizeption und Antiallodynie bewirken, konnte in gesunden Ratten kein Effekt bei perineuraler Injektion am Nerven beobachtet werden. Dies könnte entweder durch einen Mangel an funktionellen OP in axonalen Membranen verursacht sein. Alternativ könnte die mangelde Penetration  der injizierten Opioide durch die Barriere des Perineuriums verantwortlich sein, die es verhindert, dass die Opioide die Nozizeptoren erreichen. Vorherige Ergebnisse aus Schmerzverhaltenstests zeigten eine Anhebung von mechanischen nozizeptiven Schwellen (bis 5 h) nach perineuraler Anwendung des hydrophilen MOP-Agonisten DAMGO, wenn dieser mit einer hypertonen Lösung (HTS; 10% NaCl) ko-injiziert war. Denn dies ist eine geeignete Behandlung, die die Barriere des Perineuriums öffnet. Der Effekt wurde von Naloxon, einem MOP-Antagonist, gehemmt, was  eine spezifische Wirkung via MOP unterstützt. Die Wirkung von Fentanyl, einem lipophilen Opioid, wurde ebenfalls durch die HTS-Behandlung verbessert. Das führt zu unserer Hypothese, dass HTS nicht nur die Schranke öffnet, sondern auch direkt Expression und/oder Funktionalität von axonalen MOP verbessert. Um eine Grundlage für die Untersuchung dieser Hypothese zu schaffen, war das Ziel dieser Arbeit, die axonale MOP bei Versuchstieren unter verschiedenen Bedingungen mit molekularen und morphologischen Methoden zu charaktiersieren.
Am Anfang wurden vier verschiedene kommerzielle Antikörper für die Erkennung der MOP getestet. Immunreaktionen mit diesen Antikörpern wiesen spezifisch MOP in dem Hippocampus und in der Amygdala nach, während im peripheren Nervensystem die Immunreaktion veränderliche Markierungsmuster und weniger Spezifität mit einem ungünstigeren Signal-zu-Hintergund Verhältnis zeigte. Die Doppelmarkierung mit calcitonin gene-related peptide (CGRP), einem Neuropeptid, das in sensorischen Fasern exprimiert ist, mit dem Marker für non-compacted Myelin S100 oder mit dem neuronalen Marker PGP9.5, bestätigte ein reproduzierbares Färbemuster außerhalb sensorischer Nervenfasern. Deshalb war keiner dieser Antikörper geeignet. 
Mit der Anwendung eines neuen kommerziell erhältlichen monoklonalen Kaninchen Antikörpers (RabMAb) gegen MOP sowie gentechnisch veränderten Mäusen, bei denen das fluoreszierende Protein mCherry in das C-terminale Ende von MOP eingefügt wurde (MOP-mcherry knock-in Mäusen), wurden MOP und das MOP-Fusionprotein im CGRP+ im Ischiasnerv und Fasernbündeln durch Immunfluoreszenzmarkierung von Ratten und Mäuse bestätigt. Die immunelectron-mikroscopische Analyse zeigte MOP/MOP-mcherry im Zytoplasma und der Membran unmyelinizierter Axone, die in Remak Bündlen organisiert sind. Beide Antikörper erkannten Banden in richtige Größe in Western Blot in ZNS und mehrere größere Banden in PNS. Quantitative Analysen 60 min nach HTS-Behandlung zeigten keine Veränderung in MOP mRNA in dem Ischiasnerv und Hinterwurzelganglion sowie keine Veränderung in der MOP-Immunreaktivität in dem Ischiasnerv. Daher müssen noch weitere Ursachen für die verbesserte Wirkung von Opioiden am Nerven nach HTS in Betracht gezogen werden. 
Zusammenfassend konnte diese Studie die MOP-Proteins in intakten sensorischen Axonen des N. ischiadicus der Ratte und Maus eindeutig nachweisen. Axonale MOPs könnten über Kaliumkanäle oder Calciumkanäle in den Verhaltenstests bei naiven Tiere antinozizeptiv wirken. Da die HTS Behandlung zu keiner deutlichen Steigerung von axonalem MOP-Protein führen kann, sollten anderen Mechanismen wie MOP-Recycling oder Veränderung der intrazellulären Singaltransduktion untersucht werden, die die Funktionalität von MOP erhöhen. Zukünftige Studien ferner den genauen Mechanismus klären, wie axonal Opioide antinozizeptiv wirken, um so die Behandlung von Schmerzen mit Regionalanalgesie weiter zu verbessert.
KW  - opioid receptors
KW  - nociceptors
KW  - regional analgesia
KW  - Opioide
KW  - Rezeptor
KW  - Nozizeptor
KW  - Lokalanästhesie
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-128866
ER  -